虛擬現實技術與實驗教學相結合的難點剖析

喬志明，俞衛博，趙 然，張 力

（陸軍工程大學石家莊校區 河北 石家莊 050003）

虛擬現實（VR）技術能夠利用計算機對三維現實世界進行模擬，用戶借助必要的設備儀器實現與“虛擬世界”的交互，產生接近真實環境的體驗和感受。隨著計算機硬件和軟件水平的提高，虛擬現實技術越來越多地應用于教育領域，逐步發展成了一種新的教學手段。

作為教學環節的重要組成部分，實驗教學既是理論教學的延續與支撐，是培養學生實踐能力、創新能力的基本方法。虛擬仿真實驗是虛擬現實技術應用于實驗教學的典型形式，它可以營造輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗環節的操作環境，實驗者在虛擬的環境中完成各類實驗項目，得到接近真實甚至優于真實的實驗效果。因此，虛擬現實技術與實驗教學的結合具有重要的意義，同時，作為一種較新的教學手段，虛擬仿真實驗的發展也面臨很多問題。

1 虛擬現實技術應用于實驗教學的意義

實驗教學是教學活動的重要環節，是指學生利用儀器設備，人為控制條件使實驗對象發生變化，進而通過觀察、測定和分析，獲取知識，培養能力。與理論教學相比，實驗教學往往更注重增強感性認識，加深學生對知識的掌握；更注重培養動手實踐能力，發揮學生主觀能動性；更注重激發靈感和興趣，提高學生創新能力。虛擬現實在技術實現效果上具有沉浸性、交互性和構想性的特點，與實驗教學目標的契合程度更高，為進一步提高實驗教學效果提供了更多可能性；同時，虛擬現實技術信息化程度高，為解決信息傳輸及傳統實驗硬件問題提供了新的方法。

1.1 創新教育方法

虛擬現實技術科技性強、信息化程度高，極大豐富了實驗教育教學的方法和手段。一方面，虛擬仿真實驗教學可構建豐富、直觀的感官環境，提供多種人機交互方式，增強了實驗教學的形象性、趣味性，可激發學生的學習興趣，提高學習效果。另一方面，虛擬仿真實驗因其虛擬性，對實驗專用設備、儀器、試劑、環境等條件要求不高，這使得更多實驗可以在理論教室根據教學需要隨時進行模擬，不需要專門安排實驗室，節省了學生學習時間，提高了理論與實驗結合的程度。根據需要，教師還可以把通用計算機能夠虛擬的實驗項目放在互聯網上，以豐富學生預習、復習等課下學習的方式方法。

此外，虛擬現實技術的引入為顛覆式課堂、翻轉課堂等新的教學理念落地提供了條件，使教學更加契合學生需求，突出了“以學生為中心”的實驗教學理念。

1.2 完善教學內容

教師可以基于實驗原理，在時長、難度、規模、內容等方面合理設計和改造實驗項目，使得一些傳統課堂上無法完成的實驗項目得以實施，從而補充完善教學內容，滿足學生實驗需求，培養學生實踐能力，促進學生綜合素質的提高。

此方面的實驗項目主要包括：現有技術條件下無法真實開展的實驗，比如物理上微觀世界的模擬、醫學上人體的暢游、軍事教學上的模擬對抗等；一些試驗周期過長，不便于在教學過程中展開實驗的，比如材料學上金屬的銹蝕實驗、化學上部分較慢反應的實驗、一些社會學實驗等；一些高風險或極端環境的實驗，在現實中不便直接安排學生做的實驗，比如工程上部分高電壓、強輻射實驗等。

1.3 突破硬件局限

對于一些雖然可以做真實實驗但代價較大的項目，虛擬仿真實驗由于突破了真實實驗項目的硬件限制，可重復性和開放程度都大幅提高，而費用大幅降低，便于學生進行強化練習，提升實踐能力。

此方面的實驗項目主要包括：實驗儀器設備貴重且教學資源較少，實驗機會有限的實驗；長期實驗對環境、人體等有損害，不便于重復試驗的實驗；實驗損耗過多，重復實驗成本較大的實驗。

將真實實驗進行虛擬，一方面，學生可在真實實驗展開前反復虛擬練習，提高真實實驗時的實驗效果；另一方面，可減少需要進行強化訓練的實驗項目的成本，以較小的代價提高學生熟練程度，比如醫學生的模擬手術培訓、軍事武器裝備的模擬操作。

1.4 擴大開放共享

部分虛擬仿真實驗項目可基于通用計算機進行實驗項目的桌面化虛擬，并接入互聯網，實現開放共享，促進教育資源的優化調配。

第一，網上課程建設角度。在“互聯網+”時代，網上教育資源越來越豐富，虛擬仿真實驗可作為網上教學、遠程教學的重要內容，與慕課（MOOC）等理論教學資源配套使用，相互補充，大幅提高教學效果。

第二，學生自主學習角度。學生可根據需要自主選擇、組合實驗項目，在實驗操作中發揮主觀能動性，提高學習興趣，培養創新能力。

第三，教育公平角度。課程的公開化使得相對落后地區學校的孩子更方便接觸到優質實驗教學資源，拓寬他們的視野，這在一定程度上進一步促進了教學公平。

2 虛擬仿真試驗發展中的難點問題剖析

虛擬現實技術與實驗教學的結合雖經歷長期發展，形成了大量的研究與應用成果，但是，兩者結合后的大面積推廣并沒有完全展開，未獲得全面的實踐檢驗。因此，我們必須基于提高學生實踐能力和創新精神的出發點，正確看待其局限性，認識其在發展中存在的問題。

2.1 資源統籌難度較大

虛擬現實的形式和實現手段豐富，基本形式就有桌面式、沉浸式、增強現實式、分布式4 種，軟件開發平臺有Virtools、Quest 3D、VR-Platform、Unity 3D 等，語言、視覺、觸覺等方面的虛擬工具更是層出不窮，開發語言也是多種多樣。同一個虛擬實驗項目可以有多種建設方案，實現的效果也有很大不同。

目前，由于建設經驗偏少，虛擬仿真實驗項目基本都是院校和教學團隊基于教學需要委托企業來做，所以出現了大量的實驗項目重復策劃、重復建模、重復建設的情況。這樣不僅浪費了大量的人力、物力資源，而且由于建設方案多種多樣，無法在教學評價上達到一致，統籌難度較大。

2.2 建設標準不夠統一

虛擬仿真實驗項目雖發展迅猛，但與實際需求相比還形不成規模，多數學校和老師的經驗比較匱乏，基于其開展教學的經驗則更少，沒有形成統一規范和標準。

當前，虛擬仿真實驗平臺通常由各院校的不同教學團隊與軟件開發企業進行溝通，合作開發制作。在此過程中，一方面，企業發展良莠不齊、水平不一，開發方法和思路千差萬別；另一方面，教師對虛擬現實技術的最新發展水平認識普遍不夠，其教學思路、教學設計在軟件上的體現程度不同，即使是相同實驗的軟件，在不同版本之間，設計風格、交互程度、內容安排、考核方法等方面差距也較大。而不同的軟件設計策略又直接影響課程培養方案的設計和教學評價體系的建設。

此外，虛擬現實技術發展迅速，技術更新周期短，其產品也容易隨著技術的發展而落伍，相應的實驗教學方案也容易快速被淘汰，較難實現教學能力的內涵式轉化。

2.3 專業人才力量不足

虛擬現實技術與實驗教學的結合是信息技術與教育教學兩個領域的結合，一套合理、有效的虛擬仿真實驗系統必須是既基于教學需求，又充分運用先進技術的系統。完全依賴企業進行研發，則會導致軟件系統不能滿足教學要求，實現不了教學效果；完全依托高校來實現，則不能充分發揮虛擬現實的技術優勢，同時牽扯教師大量精力，得不償失。當前，虛擬現實研發企業“井噴式”發展，專業領域人才越來越多，但既會開發系統軟件又懂教學理論的學科交叉領域人才太少，基于某一實驗教學項目需求去開發高水平系統軟件的難度較大，虛擬實驗建設“精品”項目還比較少。

2.4 技術發展不夠全面

虛擬現實技術本身的發展局限性比較大。例如，其雖然在視覺方面的模擬能力越來越強，然而對聽覺、觸覺的模擬還比較弱，對味覺的模擬更是非常困難；對一些隨機事件的虛擬算法研究還需要加強，對實驗過程中的各類突發情況分析沒有成熟的模擬方法。

虛擬現實技術與具體實驗教學項目結合程度還不夠高。由于專業性較強，又涉及多學科多領域，技術可靠性、穩定性往往不足，多數實驗項目的虛擬效果與真實條件相差較遠，吸引力與有效程度都比較低。

2.5 配套建設比較薄弱

在系統硬件建設方面，由于高水平的虛擬現實系統建設對硬件的要求比較高，而把高水平虛擬現實系統引入實驗室教學則成本偏高。因此，目前的虛擬仿真實驗系統普遍存在延時偏長、分辨率不夠高、顯示效果不夠好等問題，建設水平偏低。多數虛擬仿真實驗為水平偏低的簡單桌面式虛擬，部分高校雖建設了沉浸式、增強現實式、分布式實驗系統，但教學轉化程度普遍偏低，對實驗教學沒有起到應有的效果。

在建設方法研究方面，關于虛擬實驗教學方法的研究還比較少。目前，基于虛擬平臺進行實驗考核與評價標準建設不成體系，虛擬仿真實驗在學生實踐能力培養方面的實際效果尚未得到實踐檢驗。虛擬實驗與真實實驗的比重關系、與理論教學補充關系的相關研究十分薄弱，虛擬實驗在教學中的特殊作用尚未完全凸顯出來。

3 小結

虛擬現實與實驗教學的結合創新了教育方法、完善了教育內容、突破了硬件局限、擴大了開放共享、極大豐富了實驗教學的內涵。但是其發展仍具有局限性，主要問題是資源統籌難度較大、建設標準不夠統一、專業人才力量不足、技術發展不夠全面、配套建設比較薄弱等，仍需教師進一步深化研究，以提升虛擬現實技術在實驗教學中的應用水平。